CN111650611B - 一种适应不同类型频率源远程比对的共视时间规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种适应不同类型频率源远程比对的共视时间规划方法，依次确定共视起始时间，根据对频率源的先验知识选择适合被测频率源输出信号的时间变化模型，初次确定频率源模型的参数，计算待测频率源的输出随时间变化量，确定最优跟踪周期值，计算任意跟踪周期的开始时间。本发明可以根据不同频率源的性能特征，设计与其相匹配的跟踪周期，以适应远距离、高精度测量频率源的时间变化需求，为使各站的频率源之间保持同步提供支撑，降低卫星共视技术的使用条件，提高可用性。

Description

一种适应不同类型频率源远程比对的共视时间规划方法
技术领域
本发明涉及时频高精度传递领域，具体涉及一种共视时间规划方法。
背景技术
GPS卫星共视技术是目前远距离时间比对的主要方法之一，比对不确定度可达几个纳秒。基本原理是任意两地以卫星钟作为公共参考源，在同一时刻观测同一颗导航卫星的信号，测量本地时间与卫星钟时间的偏差，然后两地互换数据后相减，可以抵消两条传播路径上包括卫星钟在内的共同误差，从而获得两地时间的相对偏差。
GPS共视时间传递方法于1980年由D.W.Allan和C.Thomas提出，1993年国际时间频率咨询委员会(CCTF)为规范GPS共视法在TAI时间比对中的应用，制定了GPS共视设备软件技术标准，其后又制定了GPS/GLONASS共视相关技术标准，2006年CCTF结合当前导航卫星共视技术的进展，向国际计量委员会建议修改共视观测文件格式，以包含多***的观测结果。
现行的GPS共视法标准数据格式是由BIPM主持制定的GGTTS GPS DATA FORMAT和CGGTTS-Version 2E，其中与共视时刻表有关的参数是MJD和STTIME。
MJD：表示跟踪卫星的起始日期(参考UTC)，用5位数表示约化儒略日。儒略日(Julian Day)是一种每天顺数不断的长期纪日法，记为JD。自世界时公元前4713年正午为起算日，记为儒略历一月一日，每天累加，是天文中时间常用的表示方法。约化儒略日(Modified Julian Day)MJD，定义为MJD＝JD–2400000.5。
STTIME：表示跟踪卫星的起始时刻(参考UTC的小时，分钟，秒)。
共视时刻表的基本排列规律如下：以1997年10月1日0点0时2分，作为起点，每个共视跟踪周期为16分钟，其中前2分钟为准备时间，此后13分钟为观测时间，最后一分钟为数据计算时间，每天包含89个16分钟的共视跟踪段，在每个跟踪周期的观测时段中，连续跟踪13分钟，每秒观测一次，13分钟共观测780个数据，每一段共视观测数据的处理结果用该段共视观测数据的首次观测的时刻来标记，观测日期采用约化儒略日数，时刻采用UTC的时、分、秒标记，每天跟踪观测的开始时间，较前一天提前4分钟，主要是为了与GPS卫星运行周期的的恒星时一致，使每天的共视观测跟踪的卫星能重复。
共视时间计算公式如下：
在MJD＝50722日，13分钟观测时段的开始时间计算公式如下：
Time_ref(i)＝00h02m00s+(i-1)×16分，其中i的取值范围时[1,89]
任意日期，13分钟观测时段的开始时间计算公式如下：
Time(i)＝Time_ref(i)-4分×(MJD-50722)，其中50722是UTC时间1997年10月1日对应的约化儒略日。
根据现行GNSS共视标准CGGTTS-Version 2E中关于共视时间表和数据处理相关内容，一次共视跟踪持续16分钟，780个观测数据经多次拟合后，生成一个钟差测试结果，比较适合对稳定度和准确度较高的频率源进行测试。以频率准确度为5e-12的频率源为例，16分钟跟踪周期内频率源的时间变化为4.8ns，若频率源稳定度也在e-12量级，则测试结果很难反映频率源在一个跟踪周期内的起伏情况，进而不能准确的对频率源的性能进行评估。因此，现行共视标准的共视周期仅适用稳定度、准确度优于e-12量级的频率源，而对于准确度或稳定度在e-12量级以下的频率源，如铷原子钟或恒温晶振等类型，采用16分钟跟踪周期的共视比对，难以满足测试需求。
随着高精度时间同步应用场景的不断增加，包括通信领域在内的诸多应用将时间同步需求提高到了纳秒量级，但是准确度在e-12量级的原子钟因价格在数万甚至数十万，难以被广泛使用，低成本的频率源又存在准确度和稳定度指标较差，若应用卫星共视进行站间时间比对，每16分钟才能更新一个测量结果，难以实现站间时间纳秒级同步，因此现有标准的共视技术对低成本频率源的比对不适用，需要新的解决方案。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种适应不同类型频率源远程比对的共视时间规划方法，可以根据不同频率源的性能特征，设计与其相匹配的跟踪周期，以适应远距离、高精度测量频率源的时间变化需求，为使各站的频率源之间保持同步提供支撑，降低卫星共视技术的使用条件，提高可用性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
步骤一，确定共视起始时间，以UTC时间表示；
步骤二，对于老化率大于1e-17的被测频率源，选择输出信号的时间变化模型为
Figure BDA0002478252840000021
对于老化率小于等于1e-17的被测频率源，选择输出信号的时间变化模型为T(t)＝a+bt，其中a表示被测频率源输出信号与参考信号的初始时间偏差，b是频率源输出信号的时间偏差变化率，c为频率源的老化率；
步骤三，对于频率源模型参数的初次确定时，令a＝0，利用被测频率源已知的频率准确度或频率偏差量作为b的取值，令c＝0；
步骤四，按步骤三的频率源参数a、b和c，时间参数t＝N×Tb，其中，Tb＝15s，表示跟踪基本周期单元，N为整数，表示跟踪周期倍数；结合计算得到的时差值T(t)结果，确定令5ns﹤T(t)﹤20ns成立的N的取值范围，然后代入式t＝N×Tb计算出跟踪周期候选值区间最小值tg(min)和最大值tg(max)；
步骤五，N的取值为同时令三式
Figure BDA0002478252840000031
成立的最大整数，对应的T′cv＝N×Tb即为在初次确定跟踪周期阶段，单次共视测量的跟踪周期；
步骤六，将得到的T’cv赋值给跟踪周期值Tcv，计算任意跟踪周期的开始时间
tcv(i)＝T0+Tcv×i，i＝1，2，3，.....
T0表示共视观测的起始时间，i表示该跟踪周期是自起始时间的第几个跟踪周期；
至此，共视时间表的起始时间、跟踪周期和任意跟踪周期的开始时间均已确定。
所述的共视起始时间为任意日期的零时零分零秒，共视观测数据文件每24小时生成一个新的文件。
当使用场景有明确的时间比对期望范围需求时，在步骤四和步骤五之间执行本步骤：根据频率源远距离时间比对的应用需求，计算期望的跟踪周期
Figure BDA0002478252840000032
其中TD表示由需求决定的两频率源远距离时间比对的期望差值，进而实现时间同步的两地时间偏差最大值，bA和bB分别表示参与测试的两个频率源A和B的频率。
在所述的步骤五之后，若被测频率源的老化率参数已知，则执行本步骤：将被测频率源的频率偏差作为参数b和频率老化率c，应用步骤五计算得到T’cv作为时间参数，计算T(t)的值，若仍能令式
Figure BDA0002478252840000033
成立，则确定最优跟踪周期为Tcv＝T’cv；否则需要根据条件判断，如T(t)≤5ns，则将N取值增加一，然后转入步骤五验算，若成立，则继续执行，否则继续调增参数N的取值，重复步骤五，直至本步骤满足要求，确定最优跟踪周期为Tcv＝T’cv；如T(t)≥20ns，则需将N取值减少一，然后转入步骤五验算，若成立，则继续执行，否则继续调减参数N的取值，重复步骤五，直至本步骤满足要求，确定最优跟踪周期为Tcv＝T’cv。
本发明的有益效果是：
(1)可根据应用场景对时间同步性能的要求灵活配置共视时刻表(包括步骤一的共视起始时间和步骤五的TD值，共视起始时间可以根据用户需求确定，TD值的取值是根据应用场景的时间同步性能决定的)，满足高精度时间同步需求；
(2)可根据被测频率源的性能条件，依据共视时刻表的最优选择原则确定跟踪周期，实现对频率源性能的高精度测量、评估，特别适合准确度、稳定度等性能较差的频率源；
(3)共视时刻表与卫星轨道周期、星历更新周期等均无关，可应用任意卫星导航***，开展卫星共视比对，扩展应用范围，提高卫星共视的可用性；
(4)共视时刻表的相连跟踪周期之间连续、无间隙，较现行标准存在3分钟跟踪间隙，有更多可用观测数据，提高观测结果的可靠性；
具体实施方式
本发明的目的在于提出一种适应不同类型频率源远程比对、测量时差需求的共视时间规划方法，主要解决以下问题：
1)提高共视技术的易用性，使其可满足更多类型频率源的远距离时间比对需求；
2)解决非高性能频率源的远距离时间高精度比对难题，类似晶振、芯片原子钟、铷原子钟等频率源，也可以通过卫星共视实现远距离、高精度的时间比对；
3)共视跟踪周期可根据需求自由选择，为更快速获得测试结果提供支持；
4)共视时刻表的各时间参数主要与被测频率源性能、用户对时差测量结果实时性需求，以及测量结果的精度等因素有关，与卫星轨道周期、星历更新周期等无关，因此可应用于所有可视卫星导航***，包括北斗、GPS、GLONASS和Galileo等；可适应不同性能频率源间比对，因此可用于准确度优于e-9量级频率源间的远距离比对。
为了达到上述目的，本发明提供一种适应不同类型频率源远程比对的共视时间规划方法，设计灵活的、可重复的共视时间表，实现满足多样化频率源纳秒级时间比对应用需求，为普通性能频率源的高精度、远距离比对提供支撑。
本发明主要包含结合被测频率源性能和应用需求计算共视跟踪周期的方法。
本发明包括以下内容：
步骤一：确定共视起始时间，以UTC时间表示，默认起始时间为任意日期的零时零分零秒(其中“时”可以由用户特殊需求指定，为0～23时中的任意一个整数)，共视起始时间决定了共视观测数据文件的生成起始时间，通常共视观测数据文件每24小时生成一个新的文件；
步骤二：根据对频率源的先验知识，从式(1)和(2)中选择适合被测频率源输出信号的时间变化模型：
Figure BDA0002478252840000051
T(t)＝a+bt (2)
其中a表示被测频率源输出信号与参考信号的初始时间偏差，b是频率源输出信号的时间偏差变化率，通常表示被测频率源与标准或参考源的频率偏差，c为频率偏差的变化率，通常视为频率源的老化率；老化率大于1e-17的一般认为是老化率比较明显，对于没有明显老化率的频率源选择公式(2)，如铯钟，铷钟，对于老化较明显的晶振选择公式(1)；
步骤三：频率源模型参数的初次确定方法：
根据步骤二确定的时间变化模型，利用对频率源的历史时差测量数据T(t)，确定参数a、b和c(当模型选公式(2)时，不需要计算c)的取值。根据跟踪周期确定操作需要，参数确定分初次确定和可行性复核两个阶段；
本方法对时间变化参数的估计主要关心某时间段内的变化量，因此初始时间偏差不影响结果，因此令a＝0；
利用被测频率源已知的频率准确度或频率偏差量，作为频率偏差，作为公式(1)或(2)参数b的取值；
参数c的取值，在初次确定阶段，可忽略其影响，即令c＝0；
步骤四：根据步骤三获得的待测频率源的频率偏差参数b，计算待测频率源的输出随时间变化量T(t)，目的是确定可用跟踪周期的范围，计算方法如下：
按步骤三的频率源参数a、b和c代入式(1)中，式(1)的时间参数t的取值遵循式(3)：
t＝N×Tb (3)
式(3)中，Tb＝15s，表示跟踪基本周期单元，N为整数，表示跟踪周期倍数，取值范围为1～80，
结合式(1)计算得到的时差值T(t)结果，确定令5ns﹤T(t)﹤20ns成立的N的取值范围，然后代入式(3)计算出跟踪周期候选值区间最小值tg(min)和最大值tg(max)；
步骤五：使用场景有明确的时间比对期望范围需求时，执行本步骤，否则跳过本步骤。
根据频率源远距离时间比对的应用需求，计算期望的跟踪周期，计算公式如下：
Figure BDA0002478252840000061
其中TD表示由需求决定的两频率源远距离时间比对的期望差值(TD的取值范围满足5～20ns)，进而实现时间同步的两地时间偏差最大值，bA和bB分别表示参与测试的两个频率源A和B的频率；
步骤六：结合步骤四和步骤五确定最优跟踪周期值。
鉴于卫星共视比对技术特点，信号经无线电波传输存在随机测量噪声，因次在被测频率源足够稳定的情况下，跟踪周期越长，随机测量噪声的影响越小，因此N的取值即为同时令以下三式成立的最大整数：
Figure BDA0002478252840000062
对应的T′cv＝N×Tb即为在初次确定跟踪周期阶段，单次共视测量的跟踪周期；步骤七：若被测频率源的老化率参数已知，则执行本步骤，实施跟踪周期复核，否则略过此步骤，进入步骤八。
将被测频率源的频率偏差作为参数b和频率老化率c代入式(1)对应参数项中，应用步骤六计算得到T’cv作为时间参数，计算式(1)中T(t)的值，若仍能令式(6)成立，则确定最优跟踪周期为Tcv＝T’cv；
Figure BDA0002478252840000071
若式(6)不成立，则需要根据条件判断，如T(t)≤5ns，则将N取值增加一，然后转入步骤六验算，若成立，则继续执行，否则继续调增参数N的取值，重复步骤六，直至步骤七满足要求，确定最优跟踪周期为Tcv＝T’cv；
若式(6)不成立，则需要根据条件判断，如T(t)≥20ns，则需将N取值减少一，然后转入步骤六验算，若成立，则继续执行，否则继续调减参数N的取值，重复步骤六，直至步骤七满足要求，确定最优跟踪周期为Tcv＝T’cv；
步骤八：根据步骤七获得的跟踪周期值Tcv，当步骤七不满足条件未执行时，则用步骤六得到的T’cv赋值给Tcv，计算任意跟踪周期的开始时间：
每个跟踪周期的开始时间计算公式如下：
tcv(i)＝T0+Tcv×i，i＝1，2，3，.....(5)
共视时间表每24小时重复一次，T0表示共视观测每天的起始时间，可以任意指定一个零分零秒的UTC时间，也可以使用默认的零时零分零秒作为起始时间；i表示该跟踪周期是自起始时间的第几个跟踪周期；
至此，共视时间表的起始时间、跟踪周期和任意跟踪周期的开始时间均已确定，即共视时间表关键要素通过本发明的方法能全部确定。
下面结合实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
有准确度为2E-11老化率为6.3E-18/s的铷原子钟两台，分别为甲、乙两地的参考时钟，因甲乙两地***需要协同工作，需要两地铷原子钟的时间保持同步(要求两地时间偏差小于10ns)，此时可应用本发明的共视时间规划方法，开展共视比对，操作流程如下：
步骤一：确定共视起始时间，以UTC时间为表示，起始时间定义为任意日期的零时零分零秒(其中“时”可以由用户特殊需求指定，为0～23时中的任意一个整数)，共视起始时间每24小时重复；
步骤二：选择铷钟频率源输出信号的时间变化模型：
Figure BDA0002478252840000081
其中a表示频率源输出信号与参考信号的初始偏差，b是频率源输出信号的时间偏差变化率，通常表示频率源与标准或参考的频率偏差，c为斜率的变化率，通常视为频率源的老化率。
步骤三：频率源的模型参数确定：
根据式(1)模型，利用已知的被测将频率源的频率准确度或频率偏差量，带入式(1)的参数b＝2e-11，鉴于估计频率源的在某时间段内的变化不涉及初始偏差，因此可令参数a＝0，关于参数c的取值，由最终确定的跟踪周期时间长度确定，当引起的时间变化超过预期时，该项参数不能为零，否则取值为零；
步骤四：确定跟踪周期的适用范围，将频率源的准确度带入式(1)的参数b＝2e-11，c＝0，然后代入式(2)计算出跟踪周期候选值区间最小值tg(min)＝250s和最大值tg(max)＝500s；
步骤五：根据应用需求，计算期望的跟踪周期，计算公式如下：
Figure BDA0002478252840000082
步骤六：结合步骤四和步骤五，计算满足式(4)要求的跟踪周期T’cv＝495s，对应的N＝33，T’cv即为在初步确定跟踪周期阶段，所获得的跟踪周期；
步骤七：将已知被测频率源的老化率c＝6.3E-18/s和频率准确度b＝2-11/s代入式(1)，可得T(t)＝(9.9e-9+7.7e-13)s，即因老化率导致时间变化远小于纳秒量级，将T(t)代入式(5)仍然成立，则确定最优跟踪周期Tcv＝T’cv＝495s。
步骤八：根据步骤七获得的跟踪周期值，计算任意跟踪周期的开始时间：
每个跟踪周期的开始时间计算公式如下：
T(i)＝T0+495×i,i＝1,2,3,.....(3)
共视时间表每24小时重复一次，T0表示共视观测每天的起始时间，使用默认的零时零分零秒；i表示该跟踪周期是自起始时间的第几个跟踪周期。
至此，共视时间表的起始时间、跟踪周期和任意跟踪周期的开始时间均已确定，完成共视时间表关键要素确定。

Claims (4)

1.一种适应不同类型频率源远程比对的共视时间规划方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，确定共视起始时间，以UTC时间表示；
步骤二，对于老化率大于1e-17的被测频率源，选择输出信号的时间变化模型为
Figure FDA0003699173020000011
对于老化率小于等于1e-17的被测频率源，选择输出信号的时间变化模型为T(t)＝a+bt，其中a表示被测频率源输出信号与参考信号的初始时间偏差，b是频率源输出信号的时间偏差变化率，c为频率源的老化率；
步骤三，对于频率源模型参数的初次确定时，令a＝0，利用被测频率源已知的频率准确度或频率偏差量作为b的取值，令c＝0；
步骤四，按步骤三的频率源参数a、b和c，时间参数t＝N×Tb，其中，Tb＝15s，表示跟踪基本周期单元，N为整数，表示跟踪周期倍数；结合计算得到的时差值T(t)结果，确定令5ns﹤T(t)﹤20ns成立的N的取值范围，然后代入式t＝N×Tb计算出跟踪周期候选值区间最小值tg(min)和最大值tg(max)；
步骤五，N的取值为同时令三式
Figure FDA0003699173020000012
成立的最大整数，对应的T′cv＝N×Tb即为在初次确定跟踪周期阶段，单次共视测量的跟踪周期，tp为期望的跟踪周期；
步骤六，将得到的T′cv赋值给跟踪周期值Tcv，计算任意跟踪周期的开始时间
tcv(i)＝T0+Tcv×i，i＝1，2，3，.....
T0表示共视观测的起始时间，i表示该跟踪周期是自起始时间的第几个跟踪周期；至此，共视时间表的起始时间、跟踪周期和任意跟踪周期的开始时间均已确定。
2.根据权利要求1所述的适应不同类型频率源远程比对的共视时间规划方法，其特征在于：所述的共视起始时间为任意日期的零时零分零秒，共视观测数据文件每24小时生成一个新的文件。
3.根据权利要求1所述的适应不同类型频率源远程比对的共视时间规划方法，其特征在于：当使用场景有明确的时间比对期望范围需求时，在步骤四和步骤五之间执行本步骤：根据频率源远距离时间比对的应用需求，计算期望的跟踪周期
Figure FDA0003699173020000021
其中TD表示由需求决定的两频率源远距离时间比对的期望差值，进而实现时间同步的两地时间偏差最大值，bA和bB分别表示参与测试的两个频率源A和B的频率。
4.根据权利要求1所述的适应不同类型频率源远程比对的共视时间规划方法，其特征在于：在所述的步骤五之后，若被测频率源的老化率参数已知，则执行本步骤：将被测频率源的频率偏差作为参数b和频率老化率c，应用步骤五计算得到T′cv作为时间参数，计算T(t)的值，若仍能令式
Figure FDA0003699173020000022
成立，则确定最优跟踪周期为Tcv＝T′cv；否则需要根据条件判断，如T(t)≤5ns，则将N取值增加一，然后转入步骤五验算，若成立，则继续执行，否则继续调增参数N的取值，重复步骤五，直至本步骤满足要求，确定最优跟踪周期为Tcv＝T′cv；如T(t)≥20ns，则需将N取值减少一，然后转入步骤五验算，若成立，则继续执行，否则继续调减参数N的取值，重复步骤五，直至本步骤满足要求，确定最优跟踪周期为Tcv＝T′cv。
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